Células aninhadas nas camadas mais externas do cérebro humano geram um tipo especial de sinal elétrico que pode conceder um impulso extra ao poder da computação, sugerem novas pesquisas. Além disso, esse sinal pode ser exclusivo para os seres humanos - e pode explicar nossa inteligência única, de acordo com os autores do estudo.
As células cerebrais, ou neurônios, se conectam através de fios longos e ramificados e lançam mensagens ao longo desses cabos para se comunicarem. Cada neurônio possui um fio de saída, chamado axônio, e um fio que recebe mensagens de entrada, conhecidas como dendritos. O dendrito transmite informações para o resto do neurônio através de explosões de atividade elétrica. Dependendo de como o cérebro está conectado, cada dendrito pode receber centenas de milhares de sinais de outros neurônios ao longo de seu comprimento. Enquanto os cientistas acreditam que esses picos elétricos ajudam a conectar o cérebro e podem estar subjacentes a habilidades como aprendizado e memória, o papel exato dos dendritos na cognição humana permanece um mistério.
Agora, os pesquisadores descobriram um novo sabor de pico elétrico nos dendritos humanos - um que eles acham que pode permitir que as células realizem cálculos antes considerados complexos demais para um único neurônio resolver sozinho. O estudo, publicado em 3 de janeiro na revista Science, observa que a nova propriedade elétrica nunca foi observada em nenhum tecido animal além do humano, levantando a questão de se o sinal contribui exclusivamente para a inteligência humana ou para os primatas, nossos primos evolucionários.
Um sinal estranho
Até agora, a maioria dos estudos sobre dendritos foi realizada em tecido de roedores, que compartilha propriedades básicas com células cerebrais humanas, disse o co-autor do estudo, Matthew Larkum, professor do departamento de biologia da Universidade Humboldt, em Berlim. No entanto, os neurônios humanos medem duas vezes mais que os encontrados em um rato, disse ele.
"Isso significa que os sinais elétricos precisam viajar duas vezes mais longe", disse Larkum à Live Science. "Se não houvesse mudança nas propriedades elétricas, isso significaria que, nos humanos, as mesmas entradas sinápticas seriam um pouco menos poderosas". Em outras palavras, os picos elétricos recebidos por um dendrito enfraqueceriam significativamente quando atingissem o corpo celular do neurônio.
Então Larkum e seus colegas se propuseram a descobrir as propriedades elétricas dos neurônios humanos para ver como esses dendritos mais longos realmente conseguem enviar sinais de maneira eficaz.
Esta não foi uma tarefa fácil.
Primeiro, os pesquisadores tiveram que colocar as mãos em amostras de tecido cerebral humano, um recurso notoriamente escasso. A equipe acabou usando neurônios que foram cortados do cérebro de pacientes com epilepsia e tumor como parte de seu tratamento médico. A equipe se concentrou nos neurônios ressecados do córtex cerebral, o exterior enrugado do cérebro que contém várias camadas distintas. Nos seres humanos, essas camadas mantêm redes densas de dendritos e se tornam extremamente espessas, um atributo que pode ser "fundamental para o que nos torna humanos", de acordo com uma declaração da Science.
"Você pega o tecido com pouca frequência, então precisa trabalhar com o que está à sua frente", disse Larkum. E você tem que trabalhar rápido, acrescentou. Fora do corpo humano, as células cerebrais sem oxigênio permanecem viáveis por cerca de dois dias. Para tirar o máximo proveito dessa janela de tempo limitado, Larkum e sua equipe coletariam medições de uma determinada amostra pelo maior tempo possível, às vezes trabalhando por 24 horas seguidas.
Durante essas maratonas experimentais, a equipe cortou o tecido cerebral em fatias e abriu buracos nos dendritos contidos. Ao colar pipetas de vidro finas através desses orifícios, os pesquisadores podem injetar íons, ou partículas carregadas, nos dendritos e observar como eles mudam na atividade elétrica. Como esperado, os dendritos estimulados geraram picos de atividade elétrica, mas esses sinais pareciam muito diferentes dos vistos anteriormente.
Cada pico disparou por apenas um breve período de tempo - cerca de um milissegundo. No tecido de roedores, esse tipo de pico de supercurto ocorre quando uma inundação de sódio entra em um dendrito, desencadeada por um acúmulo específico de atividade elétrica. O cálcio também pode desencadear picos nos dendritos de roedores, mas esses sinais tendem a durar 50 a 100 vezes mais que os picos de sódio, disse Larkum. O que a equipe viu no tecido humano, no entanto, parecia ser um híbrido estranho dos dois.
"Embora parecesse um evento de sódio, na verdade era um evento de cálcio", disse Larkum. Os membros da equipe testaram o que aconteceria se impedissem o sódio de entrar em seus dendritos de amostra e descobriram que os picos continuavam disparando sem parar. Além disso, os picos de supercurtos dispararam em rápida sucessão, um logo após o outro. Mas quando os pesquisadores bloquearam a entrada de cálcio nos neurônios, os picos pararam. Os cientistas concluíram que haviam encontrado uma nova classe de espigões, uma duração semelhante ao sódio, mas controlada pelo cálcio.
"Eles parecem diferentes do que sabemos até agora de outros mamíferos", disse Mayank Mehta, professor dos departamentos de neurologia, física de neurobiologia e astronomia da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, que não participou do estudo. A grande questão é: como esses picos se relacionam com a função cerebral real, disse ele.
Centrais computacionais
Larkum e seus colegas não puderam testar como suas amostras fatiadas podem se comportar em um cérebro humano intacto, por isso criaram um modelo de computador com base em seus resultados. No cérebro, os dendritos recebem sinais de neurônios próximos ao longo de seu comprimento que podem pressioná-los para gerar um pico ou impedir que eles o façam. Da mesma forma, a equipe projetou dendritos digitais que podem ser estimulados ou inibidos a partir de milhares de pontos diferentes. Historicamente, os estudos sugerem que os dendritos calculam esses sinais opostos ao longo do tempo e disparam um pico quando o número de sinais excitatórios supera os inibidores.
Mas os dendritos digitais não se comportaram dessa maneira.
"Quando olhamos atentamente, vimos que havia um fenômeno estranho", disse Larkum. Quanto mais sinais excitatórios um dendrito recebesse, menor a probabilidade de gerar um pico. Em vez disso, cada região em um determinado dendrito parecia "sintonizada" para responder a um nível específico de estímulo - nem mais, nem menos.
Mas o que isso significa em termos da função cerebral real? Isso significa que os dendritos podem estar processando informações a todo momento, trabalhando como uma rede unificada para decidir quais informações enviar, quais descartar e quais manipular sozinhas, disse Larkum.
"Não parece que a célula esteja apenas adicionando coisas - ela também está jogando coisas fora", disse Mehta à Live Science. (Nesse caso, os sinais de "descarte" seriam sinais excitatórios que não estão adequadamente sintonizados no "ponto ideal" da região dendrítica.) Essa superpotência computacional poderia permitir que os dendritos assumissem funções que antes eram consideradas obras de redes neurais inteiras. ; por exemplo, Mehta teoriza que dendritos individuais podem até codificar memórias.
Certa vez, os neurocientistas pensaram que redes inteiras de neurônios trabalhavam juntos para realizar esses cálculos complexos e decidiram como responder em grupo. Agora, parece que um dendrito individual faz esse tipo exato de cálculo por conta própria.
Pode ser que apenas o cérebro humano possua esse impressionante poder computacional, mas Larkum disse que é muito cedo para ter certeza. Ele e seus colegas querem procurar esse misterioso pico de cálcio em roedores, caso tenha sido negligenciado em pesquisas anteriores. Ele também espera colaborar em estudos semelhantes em primatas para verificar se as propriedades elétricas dos dendritos humanos são semelhantes às de nossos parentes evolutivos.
É muito improvável que esses picos tornem os seres humanos especiais ou mais inteligentes do que outros mamíferos, disse Mehta. Pode ser que a nova propriedade elétrica seja exclusiva dos neurônios L2 / 3 no córtex cerebral humano, já que o cérebro de roedores também produz picos específicos em determinadas regiões do cérebro, acrescentou.
Em pesquisas anteriores, Mehta descobriu que os dendritos de roedores também geram uma grande variedade de espigas cuja função exata permanece desconhecida. O interessante é que apenas uma fração desses picos realmente desencadeia uma reação no corpo da célula em que eles se conectam, disse ele. Nos neurônios de roedores, aproximadamente 90% dos picos dendríticos não provocam sinais elétricos do corpo celular, sugerindo que os dendritos de roedores e humanos podem processar informações de maneira independente, de maneiras que ainda não entendemos.
Muito do nosso entendimento sobre aprendizado e memória decorre de pesquisas sobre atividade elétrica gerada no corpo celular do neurônio e em seu cabo de saída, o axônio. Mas essas descobertas sugerem que "pode ser que a maioria dos picos no cérebro esteja ocorrendo nos dendritos", disse Mehta. "Esses picos podem mudar as regras do aprendizado".
Nota do Editor: Esta história foi atualizada em 9 de janeiro para esclarecer uma declaração do Dr. Mayank Mehta sobre se o novo sinal elétrico pode ser exclusivo dos seres humanos.
